基于ARM的车载信息采集及大容量存储 大容量存储

　　[摘要]针对车载系统多传感器信息采集处理与大容量存储的需求,采用高性能处理器ARM和高密度的闪存构建车载数据采集系统;就闪存编程慢的特点,使用流水线和并行技术,配以双口的RAM作为高速缓存的方式取代直接对闪存进行编程的传统方法,提高闪存写入数据的速率。在试验中,系统实时处理能力强和256Gbit大容量等特点。
　　[关键词]数据采集ARM大容量存储
　　中图分类号:TP274.2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110100-02
　　
　　一、引言
　　
　　车载分布式信息采集系统通过终端采集到车辆运行的各状态信息发送到远程监控车上的监测中心,对了解车辆运行状况、研究提高车辆的舒适性和安全性等具有非常重要的作用。目前,用于车辆信息采集的系统一般是基于8位或16位RISC的CPU作为核心处理器,该类处理器存在主频低、容量小、实时性差、通讯速度慢等缺点[1,2]。随着科学技术的发展,人们对科学研究的要求越来越高,对数据的采样率、精度控制、传输速度和存储容量等提出了更高的要求,此时以32位RISC的ARM嵌入式处理器显示了强大的优势[3,4]。
　　
　　二、车载信息采集系统构架
　　
　　如上图1所示,是车载信息采集系统框图。整个系统主要由中央处理器、电源管理模块、信号调理、数据采集模块、缓存模块和数据存储模块构成。
　　中央处理器(CPU)主要完成对各个外围电路的控制和AD采集通道的选择;电源管理模块主要完成对各模块的电源供给和监控;数据采集单元主要完成输入模拟信号的调理和A/D转换;由多片hynix公司高密度的Flash进行数据存储;采用了IDT公司的双口RAM进行高速数据流的缓存。
　　
　　(一)嵌入式处理器选择
　　ARM公司是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案的供应商,向全球各大领先电子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。其主要特点是具有高性能、低成本和低功耗。ARM的微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、多媒体和嵌入式解决方案等领域,已成为RISC标准。
　　RISC是一种设计思想,其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行,简单而有效的指令集。RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度,这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此,RISC设计对编译器有更高的要求;相反,传统的复杂指令集的计算机(CISC)则更依赖于硬件执行指令的功能性,使CISC指令变得更复杂。主要体现在以下四个方面:
　　1.指令集。RISC处理器减少了指令种类,仅提供简单的操作,且每条指令长度固定,一个周期就可以执行一条指令,允许流水线在当前译码阶段去取下一条指令;而CISC处理器中,指令的长度通常不固定,执行也需要多个周期。
　　2.流水线。指令的处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单元;而CISI指令的执行需要调用微代码的一个微程序。
　　3.寄存器。RISC处理器拥有更多的通用寄存器;而CISI处理器都是用于特定目的的专用寄存器。
　　4.Load-store结构。处理器只处理寄存器中的数据。独立的load和store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。因为访问存储器很耗时,所以把存储器访问和数据处理分开。带来的好处就是可反复地使用寄存器中的数据,而避免多次访问存储器。而CISI却不能。
　　ARM选择ATMEL公司的ARM处理器AT91SAM7A3,芯片内部集成了256Kbyte
　　的高速FLASH用于存储程序,32Kbyte的SRAM可用于存储程序和程序运行时存储变量堆栈数据。AT91SAM7A3具备丰富的外围接口能满足对车载数据采集系统主控制器的需求,削减了传统数据采集系统烦杂的外围电路,大大促进了整机的集成度,有利于实现系统的小型化。
　　
　　(二)数据采集及缓存
　　在本设计中,系统需要实现4通道400KHz采样率的冲击信号和4通道200KHz采样率的噪声信号采集任务。传统的方法是针对2种不同采样率分别以不同的AD多通道实现采集,这样的设计方法存在的缺点是随着不同采样率和采样路数的增加,系统的逻辑管理和硬件开销太大,致使系统的可靠性大大降低。因此,本文在选择了具有8通道并行采集和高吞率的MAX1304,12位20MHz并行接口。MAX1304是单电源5V供电,最高20MHz时钟接入,8通道全率456ksps采样时,总电源电流为57mA。芯片48引脚7mmx7mm TQFP的小封装,工作温度为-40°C至+85°C宽温度范围。通过AT91SAM7A3
　　的I/O控制以实现对通道的选择,A/D转换器的输出直接与AT91SAM7A3的SPI接口相接。图2是数据采集及缓存的基本框图。
　　
　　(三)流水线写入及大容量存储
　　针对本设计需求,采样1秒将产生4.8Mbyte,连续采样一小时将达到17.28Gbyte。所以需要对采样的高速数据流在存储前必须进行缓存,以适应目前主流存储介质FLASH的写入速度慢的特点[3]。
　　传统高速缓存的方法是FIFO(先进先出)方式。FIFO具有两套数据线而无地址线,数据像在管道中顺序移动,因而能够达到很高的传输速度和效率,缺点是只能顺序读写数据,对该系统需要分段处理的实时系统显得不够灵活,而且大容量的高速FIFO非常昂贵,器件的封装体积也较大[4]。
　　方案采用了ITD公司的ITD70V25L与和HYNIX公司的FLASH作为高速缓存和大容量存储,缓存和大容量存储的实现基本框架如下图3所示。根据系统的需求FLASH选用HY27UK08BGFM(4G×8bit,随机读:25μs(MAX);顺序存取:30ns;编程:200μs),为实现系统的大容量存储需要并扩展了FLASH存储区,设计了由6片HY27UK08BGFM并联组成6级流水线并成一个24G×8bit大容量存储体。
　　FLASH编程速度慢的主要原因是其自动编程的时间相对较长,典型时间为200μs,最大不超过700μs,而由于这段时间是芯片自动完成的,不需要外部的干预,设计充分利用这段“空闲”时间。针对闪存的编程速度慢的问题,将其进行流水处理,实现时间上的微观并行,如上图4所示的三级流水线原理。闪存芯片的编程操作可分为三个步骤:加载操作,自动编程操作,检测操作。
　　
　　三、采集数据的动态存储管理软件设计
　　
　　MAX1304在1.98μs内可完成8个通道的同时转换,其20MHz、12位的双向并行数据总线用来提供转换结果,并可接受数字输入分别激活每一路通道。系统采用中断控制方式来设计AD模块,其工作原理是由ARM的输出CLK时钟连接AD芯片的转换时钟控制采样保持和AD转换。本设计对AD采集数据采用了动态存储管理的方法,其控制流程如上图5所示。
　　
　　四、电源管理
　　
　　电源管理是嵌入式系统的重要组成部分,一是为了系统的稳定工作,二是为了降低整机的功耗。为适应车载供电的特点实现系统的低功耗,采用了动态和静态的电源监管技术相结合。在静态技术上,主要选用了低功耗器件,绝大部分器件工作电压在3.3V;在动态技术上,通过改变系统的运行行为来降低系统功耗,如在系统工作过程中,根据预处理判断实现自适应采样,以降低系统的工作频率。
　　利用系统芯片SOC(System On Chip)技术对存储区进行合理的电源管理,如对于flash,利用其非易失性的特点采取逐个加电,及时断电的方式来降低系统功耗。使用TEXAS INSTRUMENTS公司提供的TPS71913-28芯片作为监控给FLASH芯片供电。
　　
　　五、结论
　　
　　基于AT91SAM7A3嵌入式微处理器结合高密度的FLASH构建的车载数据采集系统,设计实现了24G×8bit大容量存储,能满足炮车及步兵战车、坦克等车辆连续采集一小时的需求。在外场试验中,系统具备了抗冲击能力,系统嵌入式的电源管理有效的降低了系统功耗,适合舱室环境。设计划分成各子模块,模块化的设计方便了以后系统功能扩展。
　　
　　参考文献:
　　[1]韩锋,基于ARM处理器的便携式振动测试分析系统的研究与设计[D].浙江大学硕士论文,2004.
　　[2]王文武、曹治国,基于FPGA和DSP的并行数据采集系统的设计[J].微计算机信息,2004,11:68-69.
　　[3]李赣平,基于ARM的流量计大容量存储功能的实现[J].自动化仪表的研制,2005,26(4):25-26.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文